一种矢量建筑三维景观指数统计方法、系统及设备

技术领域

本发明涉及空间信息处理与计算技术领域，特别涉及一种矢量建筑三维景观指数统计方法、系统及设备。

背景技术

随着城市化进程不断加剧，城市发展由粗放式向精细化转型，城市空间扩张也从早期的水平蔓延扩张逐渐转向集约紧凑的垂向空间扩张，促使城市空间的形态结构与组织关系迅速地朝着三维立体化发展。景观格局指数是对城市景观格局进行定量化研究的重要手段，而建筑物作为城市景观的组成要素，运用景观格局指数研究其结构、空间格局及动态变化，对于规划城市建设具有重要理论和现实意义。

目前较为通用的景观指数分析软件需将矢量格式数据转换为栅格格式数据，缺乏对矢量建筑数据三维景观指数计算支持，降低了景观指数的准确性及统计效率，当前缺乏矢量格式三维建筑景观指数自动化快速统计方法及系统。

因此，提出一种矢量建筑三维景观指数统计方法、系统及设备来解决上述问题很有必要。

发明内容

本发明的目的在于提供一种矢量建筑三维景观指数统计方法、系统及设备，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种矢量建筑三维景观指数统计方法，包括以下步骤：第一步、数据输入：输入统计单元和建筑矢量轮廓图层数据形成的矢量数据，并进行矢量数据检查和判断建筑物归属关系，统计单元图层数据通常指各级行政区划单元及其他分区单元，建筑矢量轮廓数据指建筑物的平面范围、楼高或层高信息；第二步、景观指数定制：依据统计单元，定制所需统计的基本指标、三维景观指数，所述三维景观指数增加了建筑物高度、体积三维尺度信息，侧重立体空间上的建筑景观格局定量描述；第三步、计算资源配置：动态配置计算模型并分配计算资源，选定适应多统计尺度下的高性能统计指标快速计算，形成统计结果；第四步、统计结果导出：将统计结果通过统计表、统计图的形式导出。

矢量数据检查和判断建筑物归属关系处理操作，包括检查矢量数据的空间参考一致性、数据覆盖范围一致性、数据完整性、拓扑一致性检查，判断建筑物与所选定的统计单元二者的归属关系，归属关系分为两种情况，一种是建筑物完全落在某一个特定的行政区划单元或统计单元内，直接将矢量建筑图斑所属的行政区划或其他统计单元编码赋予此矢量建筑图斑的属性字段，另一种情况是针对建筑物位于多个行政区划单元交界处或多个统计单元交界处时，根据占地面积大小来判读建筑物所隶属的行政区划或其他统计单元，可采用统计单元对建筑物矢量图斑进行空间分割，在投影坐标系下获取各个分割图斑的占地面积，比较各分割图斑的占地面积，将占地面积最大的矢量建筑图斑所属的行政区划或其他统计单元编码赋予此矢量建筑图斑的属性字段，依次完成各个矢量建筑图斑的归属关系判读。

优选的，依据统计单元，定制所需统计的基本指标、三维景观指数，包括获取各个统计单元内的基本统计指标数值，基本统计指标数值通常指建筑高度、占地面积、体积指标的平均值、最大值、最小值的统计项数据，选定所需要统计的矢量建筑三维景观指数，将基本统计指标套入三维景观指数即完成计算公式的定制或新指数的自定义。

优选的，动态配置计算模型并分配计算资源，包括依据统计单元内建筑图斑及统计指标的数量实现内存计算、并行计算和实时计算方式的动态组合配置。

优选的，所述统计结果包括统计值、基于统计值所制作的可视化图表，文件形式有表格数据、图表数据，表格数据指以行政区划或其他统计单元为单位的三维建筑景观统计值，图表数据指基于表格数据生成的统计图、统计地图

本发明还包括一种矢量建筑三维景观指数统计系统，所述数据检查模块用于提供对数据检查错误的快速预处理功能，针对数据检查汇总的各类问题提供空间参考转换、批量裁切、属性项及属性值填充及拓扑修改操作；

所述数据导入模块用于提供矢量数据的导入功能，是将经过数据检查和预处理操作的统计单元和建筑矢量轮廓矢量数据通过打开对话框导入到系统中，并能够进行统计单元空间范围的指定及建筑矢量轮廓数据的属性信息的查看操作；

所述三维景观指数定制模块用于提供对已定制三维景观指数的选择、未定制三维景观指数的定制及选择操作，是基于建筑物三维景观统计公式进行三维景观指数的定制，涉及到的基本统计指标有建筑高度、占地面积、体积基本指数的平均值、最大值、最小值统计项；

所述计算任务配置模块用于提供以任务方案形式的计算任务配置，是基于定制的三维景观指数方案，依据导入的统计单元和建筑矢量轮廓矢量数据的图斑数量及统计尺度动态配置内存计算、并行计算和实时计算计算方式；

所述计算任务执行模块用于提供以任务方案形式的计算任务执行，完成三维景观指数的快速计算及结果导出，提供三维景观指数统计值、基于统计值所制作的可视化图表的导出功能。

本发明还包括一种矢量建筑三维景观指数统计设备，包括处理器、存储资源、计算资源，所述存储资源存储有所述处理器可执行的计算机程序及统计结果，所述处理器执行所述矢量建筑三维景观指数统计系统，所述矢量建筑三维景观指数统计程序配置为实现矢量建筑三维景观指数统计方法

本发明的技术效果和优点：

1、本发明提供的矢量建筑三维景观指数统计方法、系统及设备通过引入集群队列资源、并以统计单元为队列进行计算资源的动态配置，实现对矢量数据三维建筑图斑景观指数的快速定制及统计，改变传统手工统计方法耗时慢、效率低的问题，实现对矢量建筑数据景观指数的自动化处理与统计。

附图说明

图1为本发明矢量建筑三维景观指数统计方法步骤的结构示意图。

图2为本发明矢量建筑三维景观指数计算资源分配流程图结构示意图。

图3为本发明矢量建筑三维景观指数统计系统功能模块图的结构示意图。

图4为本发明矢量建筑三维景观指数统计设备结构示意图结构示意图。

图5为本发明性能并行计算引擎，集成实时计算和分布式计算混合计算的模式结构框架示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚；完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明提供了如图1-图5所示的一种矢量建筑三维景观指数统计方法包括以下步骤：S1、数据输入：输入统计单元和建筑矢量轮廓图层数据形成的矢量数据，并进行矢量数据检查和判断建筑物归属关系，统计单元图层数据通常指各级行政区划单元及其他分区单元，建筑矢量轮廓数据指建筑物的平面范围、楼高或层高信息，为确保景观指数统计的准确性，需预先对输入的数据进行矢量数据检查和判断建筑物归属关系处理操作；

矢量数据检查是检查矢量数据的空间参考一致性、数据覆盖范围一致性、数据完整性、拓扑一致性检查检查，依次确认输入的矢量图层空间参考是否一致、数据覆盖范围是否一致、要素是否存在重复及要素间存在空隙、重叠或其他错误情况，若检查无误继续进行下一步的判读建筑物归属关系操作，若检查有误，需要结合错误项对矢量数据进行数据修改操作。

进一步的，判断建筑物归属关系，此处将归属关系分为两种情况，一种是建筑物完全落在某一个特定的行政区划单元或统计单元内，直接将矢量建筑图斑所属的行政区划或其他统计单元编码赋予此矢量建筑图斑的属性字段，另一种情况是针对建筑物位于多个行政区划单元交界处或多个统计单元交界处时，根据占地面积大小来判读建筑物所隶属的行政区划或其他统计单元，实现步骤如下：

采用统计单元对建筑物矢量图斑进行空间分割，在投影坐标系下获取各个分割图斑的占地面积，比较各分割图斑的占地面积，将占地面积最大的矢量建筑图斑所属的行政区划或其他统计单元编码。

S2、景观指数定制：依据统计单元，定制所需统计的基本指标、三维景观指数，所述三维景观指数增加了建筑物高度、体积三维尺度信息，侧重立体空间上的建筑景观格局定量描述；

相比二维景观指数而言，三维景观指数增加了建筑物高度、体积三维尺度信息，侧重立体空间上的建筑景观格局定量描述。与二维景观指数类似，三维景观指数通常依据特定的统计单元，对所要统计的指数进行基本指标的套入计算而获取。因此，三维景观指数定制的实现步骤是：首先获取各个统计单元内的基本统计指标数值，基本统计指标通常指建筑高度、占地面积、体积指标的平均值、最大值、最小值统计项；再选定所需要统计的矢量建筑三维景观指数；最后将基本统计指标套入三维景观指数即完成计算公式的定制或新指数的自定义。

三维景观指数统计通常具有建筑物图斑数量巨大、统计指标繁多特点，属于大规模空间数据处理及计算范畴，需要一定规模的存储及计算资源支撑运行。为提升三维景观指数的统计效率，引入动态配置计算模型并分配计算资源的方式，根据统计单元内建筑图斑及统计指标的数量实现内存计算、并行计算和实时计算方式的动态组合配置，适应多统计尺度下的高性能统计指标快速计算。具体步骤如下：

首先，在实际应用中收集各统计场景，或者确定同一场景在不同计算尺度、不同高性能计算技术下的统计耗时；其次，以收集的经验值、耗时估算模型为基础，根据统计场景需求、统计单元尺度来配置合适的计算模式与分析模型；最后，通过统一调度管理模块进行计算资源的动态调度，实现多场景下建筑景观指标的高效统计。

S3、计算资源配置：动态配置计算模型并分配计算资源，选定适应多统计尺度下的高性能统计指标快速计算，形成统计结果；

S4、统计结果导出：将统计结果通过统计表、统计图的形式导出。

为方便统计结果的分析，需要对统计结果导出，统计结果通常包括统计值、基于统计值所制作的可视化图表，文件形式有表格数据、图表数据，表格数据指以行政区划或其他统计单元为单位的三维建筑景观统计值，图表数据指基于表格数据生成的统计图、统计地图。同时，考虑到多期三维建筑景观指数的统计及分析需求，能够对多个时期三维建筑统计结果的变化分析结果进行导出和可视化展示，即能够获取对多个时期的三维建筑景观统计值、变化分析统计图和统计地图分析结果。

第二方面，本公开提供了一种矢量建筑三维景观指数统计系统，基于设计的矢量建筑三维景观指数统计方法，将各个关键环节进行功能拆分与设计，研发了由数据检查、数据预处理、数据导入、三维景观指数定制、计算任务配置与计算任务执行功能模块构成的系统。

数据检查模块：提供对统计单元和建筑矢量轮廓矢量数据的检查功能，检查项由矢量数据的空间参考一致性、数据覆盖范围一致性、数据完整性、拓扑一致性检查组成，能够对ESRI ShapeFile格式的矢量数据进行自动化检查及错误定位操作。检查项如下：矢量数据的空间参考一致性检查检查统计单元和建筑矢量轮廓数据的空间参考是否一致，因涉及到长度、面积、体积数据的计算，需确保矢量数据的空间坐标参考为投影坐标系；数据覆盖范围一致性检查检查建筑矢量轮廓数据与统计单元的覆盖范围是否一致，重点检查建筑矢量轮廓数据超出统计单元覆盖范围的情况；数据完整性检查统计单元和建筑矢量轮廓数据的属性字段及属性值填写是否完整规范，检查的属性项及属性值指用于三维建筑景观格局指数定制所必须的信息；拓扑一致性检查检查统计单元和建筑矢量轮廓数据的图形要素是否存在重复及要素间存在空隙、重叠或其他错误情况。

数据预处理模块：提供对数据检查错误的快速预处理功能，针对数据检查汇总的各类问题提供空间参考转换、批量裁切、属性项及属性值填充及拓扑修改操作。

数据导入模块：提供矢量数据的导入功能，是将经过数据检查和预处理操作的统计单元和建筑矢量轮廓矢量数据通过打开对话框导入到系统中，并能够进行统计单元空间范围的指定及建筑矢量轮廓数据的属性信息的查看操作。

景观指数定制模块：提供对已定制三维景观指数的选择、未定制三维景观指数的定制及选择操作，是基于建筑物三维景观统计公式进行三维景观指数的定制，涉及到的基本统计指标有建筑高度、占地面积、体积基本指数的平均值、最大值、最小值统计项。

计算任务配置模块：提供以任务方案形式的计算任务配置，是基于定制的三维景观指数方案，依据导入的统计单元和建筑矢量轮廓矢量数据的图斑数量及统计尺度动态配置内存计算、并行计算和实时计算计算方式。

计算任务执行模块：提供以任务方案形式的计算任务执行，完成三维景观指数的快速计算及结果导出，提供三维景观指数统计值、基于统计值所制作的可视化图表的导出功能。

此外，为实现上述目的，本发明还提出一种矢量建筑三维景观指数统计设备，所述设备包括：处理器、存储资源、计算资源，存储资源存储有所述处理器可执行的计算机程序及统计结果，处理器执行所述矢量建筑三维景观指数统计系统，矢量建筑三维景观指数统计程序配置为实现矢量建筑三维景观指数统计方法的步骤。

本公开实施例提供的矢量建筑三维景观指数统计方法、系统及设备通过引入集群队列资源、并以统计单元为队列进行计算资源的动态配置，实现对矢量数据三维建筑图斑景观指数的快速定制及统计，改变传统手工统计方法耗时慢、效率低的问题，实现对矢量建筑数据景观指数的自动化处理与统计。

基于分布式环境，构建高性能并行计算引擎(HPC)，集成实时计算(Storm)和分布式计算(Spark)混合计算的模式。

采用多种高性能计算方法相结合(混合)的方式，发挥出不同计算方法的优点，将不同的计算技术在统一的计算调度模式下(统一的资源管理、任务调度管理、流程管理、模型管理)实现无缝集成(高性能混合计算)(如图5所示)。

数据存储层：在分布式内存计算中为提高访问的吞吐量，将分布式文件系统作为大数据计算的存储方式，支持面向未来空间大数据存储在关系型数据，同时，也支持将关系型数据库或者其他方式存储的数据并行的导入分布式文件系统；HPC能够基于软硬件环境提供对本地存储、网络存储及分布式存储资源的访问。

算法模型层：在空间分布式内存计算技术、空间并行计算技术和实时计算混合的模式下，针对处理不同尺度空间的算法进行优化，使其能在不同尺度下高效利用计算资源实现空间分析的快速计算，调度管理层：实现模型、流程、任务的统一调度管理，将空间分布式内存计算技术、空间并行计算技术和空间实时计算融合。